太陽能熱發電最低投資定量分析

范潔，杜鳳麗，孫建朝

(1.中國華電科工集團有限公司，北京 100088； 2.太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟，北京 100090)

表1 典型50 MW塔式太陽能熱發電站主要參數[3]

1 太陽能熱發電系統劃分[1]

太陽能熱發電與傳統火力發電相比有較大區別，聚光式太陽能熱發電形式種類繁多，但無論采用哪種技術路線，都可以劃分為太陽能聚光部分、集熱部分、傳熱和儲熱部分、發電部分等四大部分。其中，聚光、集熱、傳熱和儲熱3部分是傳統電力較少涉及的范疇，也是太陽能熱發電技術的核心，集中體現了太陽能熱發電的特點；而發電部分與傳統發電尤其是火力發電是相同或者類似的。為抓住問題關鍵，本文以我國2017年100 MW等級塔式太陽能的可研估算，就太陽能系統4部分的成本比例進行分析，探究太陽能熱發電最低單位造價的底線。

2 塔式太陽能熱發電系統主要數據

太陽能塔式熱發電系統的鏡場由多面玻璃反射鏡組成，發電系統由汽輪發電機組及其熱力系統組成[2]。鏡場將太陽光反射聚焦到塔頂的集熱器，熱量可儲存，當儲熱達到一定量后，在夜晚沒有太陽能量的情況下，塔式熱發電系統仍可連續發電，從而保證24 h連續發電，而能量來源為太陽能和經過儲熱的太陽能。其他化石能源或可再生能源可以在機組啟動或冬季嚴寒季節進行補燃，以保證機組的安全運行。系統每個模塊可獨立運行，可靠性和調節性能高，也可提供持續的熱量用于供熱和制冷、農業加工等其他用途。典型的塔式系統主要參數見表1。

根據表1確定的系統靜態投資為134 004萬元，靜態單位造價為26 800元/kW，動態投資139 943萬元，動態單位投資27 989元/kW。一般50 MW等級常規火電機組(年運行小時5 000 h)靜態單位投資不超過5 000元/kW，則同等太陽能電站靜態投資(發電年運行小時2 916 h)是火電機組的5.36倍。

由表1可明顯看出太陽能熱發電的特點。由于項目靜態投資較高，與常規火電相比，工程一次性投資大，增加了項目融資成本，其中工程固定資產折舊所占度電成本的比例高達60%左右；另一方面，由于發電能源來自太陽能，電站中占有大部分的燃料費用沒有了，有些電站僅消耗極少量的啟動、低負荷運行和保溫用天然氣燃料，因而運營成本相對較低。因此，有必要對工程投資的組成進行分析，并分析高投資和低運行成本同時對發電電價的影響。表2為50 MW太陽能電站各分項系統的投資費用。

表2 典型50 MW塔式太陽能熱發電站經濟參數

根據50 MW煤電系統的單位造價分析，鍋爐系統(含輸煤系統、除灰系統、除塵等)造價大約7 500萬元，考慮到部分電氣和熱控的就地柜、表盤、儀表等費用額度不超過500萬元，鍋爐系統費用約8 000萬元，扣除這部分，汽輪發電機部分的造價約1.7億元。表2中發電投資19 019萬元，與常規發電設備相比高約11.9%。

同理，太陽能熱發電站其他費用包括設計費、現場征地、工程管理費等不可預見費用，其投資額比例也比常規火電高約30%。根據眾多數據分析比較，太陽能電站的占地是常規電站占地的10倍，因而其土地費用等也會增加，但由于太陽能電站基本建在戈壁荒蕪地區，在得到政策支持條件下，其費用節省的可能性是有的，其他費用投資可控制在1.5億元范圍內。

儲熱部分的功能主要是提高太陽能熱發電的負荷調節能力，具有類似抽水蓄能調峰水電站的功能，因而這部分費用可以單獨分析。

鏡場和集熱部分類似火電廠鍋爐部分[4]，兩者分別占總費用的48.1%和9.3%，兩項投資為7.693億元。

3 定量分析電站單位造價方法

太陽能塔式電站鏡場布置和優化比較復雜，鏡場的太陽反射計算依賴于當前太陽、反射鏡與集熱塔的位置，并考慮鄰近玻璃鏡陰影遮擋情況。目前，太陽能計算國外有HFLCAL和EBSILON兩套軟件，第1種可計算確定太陽能鏡場、集熱塔、發電系統的主要參數，并對布置參數進行優化設計；第2種用于模擬電廠運行，輸入當地太陽條件等參數，利用鏡場運行小時數據和集熱器性能分析，可得到全年的發電結果，計算出年總發電量。在所有計算中，發電量的計算是最重要的，但發電量計算不能僅依靠軟件，還需要根據已建電站的每年實際發電量，依靠當地電站的實際外部條件，用實際數據進行對比，才能得到較真實的依據。目前，國外電站已有近30年的運行數據，國內也有1個電站具有1年以上的實際運行數據，這些數據是分析電站發電量最好的校核數據。

為了定量分析塔式太陽能熱發電的單位造價，根據投資費用和電站效率計算公式，推導出如下關系式：

Psolar=Pgra+Psto+k1Ppow+Poth，

(1)

(2)

式(1)中：Psolar為塔式太陽能熱發電站單位造價，元/kW；Pgra為鏡場系統單位造價，元/kW；Psto為儲熱系統單位造價，元/kW；Ppow為發電系統(包括汽輪發電機組及全部熱力系統，集熱塔系統等，該系統與同等容量常規火電站相比，單位造價相近略低)單位造價，元/kW；k1指塔式太陽能熱常規發電單位投資和同等容量火電站單位投資比；Poth為其他費用單位造價(主要為工程建設管理費用)，元/kW。

式(2)中等式右側第1項為式(1)中的Pgra，式中：n1為反射鏡鋼結構材料單位重量，不含土建部分用鋼，kg/m2；n2為反射鏡鋼結構材料單位價格，含全套支架、土建、安裝費用，元/kg；h1為發電年運行小時數(全年總發電量與銘牌功率比)，h；η1為塔式電站發電效率，%；ω為當地太陽能直射輻射值，kW/(m2·a)。

式(2)中等式右側第2項為式(1)中的Psto，式中：3 600指1 kW·h電的熱含量，kJ/(kW·h)；h2為儲熱小時數，h；n3為熔鹽單位價格，元/kg，含罐體、土建、安裝費用；η2為塔式電站鏡場和吸熱塔效率，%；c為熔鹽工作溫度范圍內的平均比熱容，J/(kg·K)；Δt為高溫熔鹽罐和低溫熔鹽罐溫度差，℃。

式(1)中Poth是電站單位投資的其他費用常規項；Ppow是常規火電站的單位投資，k1可修正兩者的差；前兩項可分別獨立判斷鏡場系統和儲熱系統的單位造價。式(2)將技術數據和單位造價形成關系式，可定量分析塔式太陽能熱發電的單位造價。從式(2)中可看出影響太陽能熱發電的因素，也可看出選擇高太陽能輻射值的地區和提高電站發電效率是降低鏡場成本的關鍵；對于儲熱系統，選擇更大儲熱比熱的材料和提高熔鹽儲熱溫度差，能有效降低儲熱成本。

表3 常規電站與太陽能熱電站材料量對比

式(2)除了計算塔式系統外，理論上可計算槽式系統，但需注意與造價有關的定義范圍。

4 鏡場費用下降空間

對太陽能熱發電和火電兩種類型的電站造價進行分析，材料使用量和材料單價可以比較出兩者的差異。表3針對同等容量常規和太陽能熱電站的材料量進行了比較[5]。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)對先進塔式太陽能熱發電有一些指標要求：在反射鏡偏差小于3 mrad、抗風速小于37 m/s的條件下，反射鏡的成本應小于75美元/m2?？梢?，反射鏡的成本降低空間很大。目前計算數據為1 232元/m2，根據對100 m2反射鏡架進行的優化計算，在滿足6級風速(14 m/s)時，反射鏡單位質量可以控制在70 kg/m2，僅此一項，鏡場造價可降為4.512 1億元，節省1.933 7億元。從單位質量投資分析，火電站鍋爐系統包括鍋爐及其附屬設備、輸煤、除灰設備等，材料單位質量價格為1.540 2萬元/t，而鏡場設施僅包括反射鏡架、控制旋轉單元及纜線、基礎土建費用等部分，單位質量價格為1.232 5萬元/t，今后規模化生產和建設后，可在此指標上進一步降低投資。

太陽能鏡場土建費用分析如下：假定外部條件中，按照 7 度抗震(0.1g)、II 類場地土、采用天然地基，地基承載力按 200 kPa考慮，按照國內規范將風力轉換為風壓數據，則不同風力條件下的基礎材料用量如圖1所示。由圖1可見，當風力在5～8級時，基礎鋼材和混凝土使用量不變，9級以上時，基礎的鋼材和混凝土使用量增加，當達到11級風速時，材料量增加了1倍。

圖1 100 m2塔式太陽反射鏡支架基礎材料用量

根據如上分析，鏡場設計可根據每年當地風級分布，確定安全運行控制點，當反射鏡可在6,7,8級風速以下安全運行時，超過上述風速即采取停機保護措施。該計算也可證實，通過分析全年不同風速的時間范圍，分析反射鏡在不同風速下的單位造價，可得到最佳的安全運行停機保護點。

系統效率提高也是降低造價的有效手段，表4列出了典型50 MW塔式太陽能熱發電站的各分項效率數據。典型電站從光到電的效率為14.88%，據報道國外100 MW塔式電站效率為18.76%。分析各分項效率可知，國外對吸熱器設備采取了優化設計，特別是吸熱器表面涂吸熱層等措施，可提高能量的吸收，降低散熱損失，使光熱效率達到50%以上。通過計算可知，現有條件下的光熱效率可達到44%；廠用電率按11%設計，而實際廠用電率可控制在8%～9%。提高機組的熱力參數也是有效手段，根據計算，同等條件下超高壓參數機組比高壓機組效率提高3.80百分點，亞臨界機組比超高壓又提高1.21百分點，目前國內汽輪機制造廠都在為提高汽輪機內效率開展研究，同等容量新型機組的內效率提高很多。

在表4的數據條件下，光熱效率提高1.50百分點，汽輪機熱電效率提高2.00百分點，僅此兩項就可使全廠效率提高1.40百分點，達到16.3%。效率提高可使鏡場面積降低8.5%，投資降低3 813萬元。

表4 典型50 MW塔式太陽能熱發電站效率參數 %

要提高塔式太陽能電站聚光、集熱和儲熱的效率空間已經不大，而提高機組的熱電轉換效率則可使電站效率有大幅的提高，目前提出的二氧化碳超超臨界布雷登循環系統，可使熱電轉換效率從目前的40%左右大幅提高到48%～50%。根據測算，當熱電轉換效率再提高5.00百分點，鏡場費用可再降低1億元左右。

5 電站投資比較結論

按照常規火電站的技經數據和工程量數據，與50 MW塔式太陽能熱發電站的投資進行對比，利用式(2)關系式得到的結論見表5。

表5中初設數據為國內2014年版的火力發電工程建設預算編制與計算規定數據，當時的單位造價為26 800元/kW，含稅電價為1.350元/(kW·h)。

表5 典型50 MW塔式太陽能熱發電站經濟分析結論

按照目前國內已達到的技術條件，結合國家開展的20個太陽能示范電站的經濟數據，電站管理費用控制在常規火電站范圍內，單位造價控制在21 200元/kW，則含稅上網電價1.015元/(kW·h)。

通過進一步降低鏡場投資、提高電站整體效率、采用高效率的發電機組，同時在土地政策上給予較好的條件，單位造價控制在17 200元/kW，含稅電價可在0.730元/(kW·h)。

此時，考慮太陽能熱發電無煙塵、硫化物、氮氧化物、汞等污染物排放，環保補償電價為0.050元/(kW·h)進行折算，考慮到太陽能熱發電采用了7 h儲熱，此部分的費用折算電價約為0.160元/(kW·h)。

為進行電站總投資及其經濟性分析，根據我國電站融資、貸款、投資回收期、贏利模式等要求，結合以上技術數據就可以對太陽能電站進行具體投資和電價分析。計算結果顯示，按照電站壽命期30 a，全部投資收益率8%計算，在國內太陽輻射資源條件下，最低含稅電價可達到0.730元/(kW·h)。考慮到環保排放補償和太陽能熱發電調峰補償，則相當含稅電價為0.520元/(kW·h)。